CN112117628A - 一种高受激布里渊散射阈值高转换效率的光纤激光放大器 - Google Patents

一种高受激布里渊散射阈值高转换效率的光纤激光放大器 Download PDF

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杨雨
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Abstract

本发明公开了一种高受激布里渊散射阈值高转换效率的光纤激光放大器，包括顺次在激光放大光路上的待放大激光端口、正向泵浦光端口、正向信号/泵浦耦合器、增益光纤、第二光纤布拉格光栅和放大激光出射端口。本发明的光纤激光放大器待放大激光在经过高功率光纤激光放大器进行放大时，通过在增益光纤两端增加相应的光纤布拉格光栅，以使泵浦光能够在增益光纤中传输两次，从而缩短增益光纤的使用长度，降低光纤激光放大器的SBS总增益，从而提升光纤激光放大器的SBS阈值，实现更高功率的窄线宽激光输出。

Description

一种高受激布里渊散射阈值高转换效率的光纤激光放大器
技术领域
本发明涉及提升高功率光纤激光放大器受激布里渊散射阈值技术领域，具体涉及一种高受激布里渊散射阈值高转换效率的光纤激光放大器。
背景技术
随着科技发展和经济增长，在工业制造领域，对激光系统的输出功率和转换效率提出越来越高的要求。但是在高功率情况下，光纤激光放大器都会受到受激布里渊散射效应(以下简称SBS)限制，而难以提升输出功率。而且在高功率情况下，激光器过低的转换效率会使大量的泵浦光转换为废热，极大地增加散热成本。人们提出多种方案来抑制光纤激光放大器中的SBS现象，例如增大增益光纤的掺杂浓度以增大吸收系数，缩短增益光纤的使用长度来提高激光器的SBS阈值，但掺杂浓度过高会使增益光纤内部产生离子团簇使光纤性能下降，同时使用过高吸收系数的增益光纤容易降低激光器的模式不稳定阈值(MI)，使光束质量劣化；又例如可以设计特殊的光纤来降低SBS增益系数，但是这种方式会光纤设计难度大，光纤拉制工艺复杂，目前的应用效果并不理想；而且特殊组分/结构光纤的应用会大大提升光纤激光放大器的成本；再例如可以采用对光纤施加应力的方法，使光纤的SBS增益谱发生移动，同一段光纤不同位置的SBS增益谱发生错峰以抑制光纤中的SBS现象，但此方法需要精确控制对不同位置的光纤施加不同应力，导致光纤激光放大器整体结构变复杂，降低光纤激光放大器的可靠性，同时增加生产成本，不利于激光器的产品化。
发明内容
为解决上述问题，在保证增益光纤对泵浦光总吸收量不变的情况下缩短增益光纤的长度，实现对光纤激光器SBS阈值的提升，同时提高激光器的转换效率，本发明提供了一种高受激布里渊散射阈值高转换效率的光纤激光放大器，包括顺次在激光放大光路上的待放大激光端口、正向泵浦光端口、正向信号/泵浦耦合器、增益光纤、第二光纤布拉格光栅和放大激光出射端口，
所述正向泵浦光端口输入泵浦光a，
所述第二光纤布拉格光栅对泵浦光a高反，
待放大激光端口输入的待放大激光和泵浦光a通过所述正向信号/泵浦耦合器耦合进入增益光纤，泵浦光a被增益光纤吸收对待放大激光进行放大，一部分未被吸收的泵浦光a通过第二光纤布拉格光栅的反射再次进入增益光纤被增益光纤再次吸收，对待放大激光再进行放大，最后放大激光经过放大激光出射端口射出；
或者
包括顺次在激光放大光路上的待放大激光端口、第一光纤布拉格光栅、增益光纤、反向泵浦光端口、反向信号/泵浦耦合器和放大激光出射端口，
所述反向泵浦光端口输入泵浦光b，
所述第一光纤布拉格光栅对泵浦光b高反，
待放大激光端口输入的待放大激光进入第一光纤布拉格光栅再进入增益光纤，同时泵浦光b通过所述反向信号/泵浦耦合器耦合进入增益光纤，泵浦光b被增益光纤吸收对待放大激光进行放大，一部分未被吸收的泵浦光b通过第一光纤布拉格光栅的反射再次进入增益光纤被增益光纤再次吸收，对待放大激光进行放大，最后放大激光经过放大激光出射端口射出。
优选地，包括顺次在激光放大光路上的待放大激光端口、正向泵浦光端口、正向信号/泵浦耦合器、第一光纤布拉格光栅、增益光纤、第二光纤布拉格光栅、反向泵浦光端口、反向信号/泵浦耦合器和放大激光出射端口；
所述正向泵浦光端口输入泵浦光a，所述反向泵浦光端口输入泵浦光b，所述泵浦光a和泵浦光b的波长相差不大于6nm；
所述第一光纤布拉格光栅对泵浦光a高透，对泵浦光b高反；所述第二光纤布拉格光栅对泵浦光b高透，对泵浦光a高反；
待放大激光端口输入的待放大激光和泵浦光a通过所述正向信号/泵浦耦合器耦合进入第一光纤布拉格光栅再进入增益光纤，泵浦光a被增益光纤吸收对待放大激光进行放大，一部分未被吸收的泵浦光a通过第二光纤布拉格光栅的反射再次进入增益光纤被增益光纤再次吸收，对待放大激光再进行放大，最后放大激光经过放大激光出射端口射出；
泵浦光b通过所述反向信号/泵浦耦合器耦合进入增益光纤，泵浦光b被增益光纤吸收对待放大激光进行放大，一部分未被吸收的泵浦光b通过第一光纤布拉格光栅的反射再次进入增益光纤被增益光纤再次吸收，对待放大激光进行放大，最后放大激光经过放大激光出射端口射出。以提高光纤激光放大器的总吸收系数，进而缩短光纤(增益光纤对泵浦光总吸收量不变)，提升光纤激光放大器的SBS阈值和转换效率。
进一步地，还包括第一泵浦光滤除器，所述第一泵浦光滤除器设置在待放大激光端口和所述正向信号/泵浦耦合器之间。
进一步地，还包括第二泵浦光滤除器，所述第二泵浦光滤除器设置在放大激光出射端口和所述反向信号/泵浦耦合器之间。
优选地，所述泵浦光a和泵浦光b的波长相差2nm。
可选地，所述增益光纤在同一平面内盘绕排布呈光纤圆盘,也可盘绕成柱状或锥状。
可选地，所述增益光纤可以是但不限于是小芯径掺杂光纤、大芯径掺杂光纤、大模场掺杂光纤或者特殊结构掺杂光纤。
可选地，所述的光纤布拉格光栅可以是直接刻写在增益光纤上，也可以是刻写在无源光纤上再与增益光纤进行熔接。
可选地，所述第一泵浦光滤除器和第二泵浦光滤除器包括但不限于模式滤除器、包层光滤除器。
可选地，所述正向泵浦光端口和反向泵浦光端口所输入泵浦光的泵浦方式可以但不限于是双端泵浦、单端泵浦含正向泵浦和反向泵浦、或者侧面泵浦。
本发明将待放大激光和泵浦光耦合到增益光纤中，通过在增益光纤两端增加与泵浦光匹配的光纤布拉格光栅，第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅，选择性地对未被增益光纤吸收的泵浦光进行反射，使未被吸收的泵浦光再次经过增益光纤继续被其吸收，从而在保证总吸收不变的情况下缩短增益光纤的长度，实现对光纤激光器SBS阈值的提升，同时提高激光器的转换效率。与现有技术相比，体积小巧，成本低廉，结构简单，布局紧凑，可提升光纤激光放大器的SBS阈值，提高光纤激光放大器的输出功率，系统稳定可靠，可以获得窄线宽高功率激光。
本发明技术的原理：待放大激光在经过高功率光纤激光放大器进行放大时，通过在增益光纤两端增加相应的光纤布拉格光栅，以使泵浦光能够在增益光纤中传输两次，从而缩短增益光纤的使用长度，降低光纤激光放大器的SBS总增益，从而提升光纤激光放大器的SBS阈值，实现更高功率的窄线宽激光输出。
附图说明
图1为本发明高受激布里渊散射阈值高转换效率的光纤激光放大器结构图。
图中：1-待放大激光端口(待放大激光也称信号光)，21-第一泵浦光滤除器、22-第二泵浦光滤除器、3-正向泵浦光端口(泵浦光a)、41-正向信号/泵浦耦合器、42-反向信号/泵浦耦合器、5-第一光纤布拉格光栅、6-增益光纤，7-第二光纤布拉格光栅，8-反向泵浦光端口(泵浦光b)，9-放大激光出射端口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式作进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于帮助理解本发明，并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
一种高受激布里渊散射阈值高转换效率的光纤激光放大器，包括顺次在激光放大光路上的待放大激光端口、正向泵浦光端口(本实施例中有两个正向泵浦光端口)、正向信号/泵浦耦合器、第一光纤布拉格光栅、增益光纤、第二光纤布拉格光栅、反向泵浦光端口(本实施例中有两个反向泵浦光端口)、反向信号/泵浦耦合器和放大激光出射端口；
所述增益光纤在同一平面内盘绕排布呈光纤圆盘，也可盘绕成柱状或锥状，本实施例中所述增益光纤在同一平面内盘绕排布呈光纤圆盘；另一个实施例中增益光纤在同一平面内盘绕成柱状，再另一个实施例中增益光纤在同一平面内盘绕成锥状；
所述增益光纤可以是但不限于是小芯径掺杂光纤、大芯径掺杂光纤、大模场掺杂光纤或者特殊结构掺杂光纤，本实施例中所述增益光纤是大模场双包层掺镱光纤；另一个实施例中增益光纤是大芯径掺杂光纤，再另一个实施例中增益光纤是小芯径掺杂光纤；
所述正向泵浦光端口和反向泵浦光端口所输入泵浦光的泵浦方式可以但不限于是双端泵浦、正向泵浦、反向泵浦或者侧面泵浦，本实施例中所述正向泵浦光端口所输入泵浦光的泵浦方式是正向泵浦，反向泵浦光端口所输入泵浦光的泵浦方式是反向泵浦；另一个实施例中是双端泵浦，再另一个实施例中是侧向泵浦；
所述正向泵浦光端口输入泵浦光a，所述反向泵浦光端口输入泵浦光b，所述泵浦光a和泵浦光b的波长相差不大于6nm；本实施例中所述泵浦光a和泵浦光b的波长相差2nm；另一个实施例中波长相差6nm，再另一个实施例中波长相差4nm；需要对两个光栅通光波长差进行限定选择，因为波长差过大对光纤激光放大器整体性能影响大而不能满足性能要求，波长差过小对第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅的制作要求就越高越难；
所述第一光纤布拉格光栅对泵浦光a高透，对泵浦光b高反；所述第二光纤布拉格光栅对泵浦光b高透，对泵浦光a高反；所述的第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅可以是直接刻写在增益光纤上，也可以是刻写在无源光纤上再与增益光纤进行熔接，本实施例中所述第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅是直接刻写在增益光纤上；另一个实施例中是刻写在无源光纤上再与增益光纤进行熔接；
待放大激光端口输入的待放大激光和泵浦光a通过所述正向信号/泵浦耦合器耦合进入第一光纤布拉格光栅再进入增益光纤，泵浦光a被增益光纤吸收对待放大激光进行放大，一部分未被吸收的泵浦光a通过第二光纤布拉格光栅的反射再次进入增益光纤被增益光纤再次吸收，对待放大激光再进行放大，最后放大激光经过放大激光出射端口射出；
泵浦光b通过所述反向信号/泵浦耦合器耦合进入增益光纤，泵浦光b被增益光纤吸收对待放大激光进行放大，一部分未被吸收的泵浦光b通过第一光纤布拉格光栅的反射再次进入增益光纤被增益光纤再次吸收，对待放大激光进行放大，最后放大激光经过放大激光出射端口射出。以提高光纤激光放大器的总吸收系数，进而缩短光纤(增益光纤对泵浦光总吸收量不变)，提升光纤激光放大器的SBS阈值和转换效率。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于，还包括第一泵浦光滤除器，所述第一泵浦光滤除器设置在待放大激光端口和所述正向信号/泵浦耦合器之间，用于滤除未被第二次吸收的剩余反射的泵浦光a。第一泵浦光滤除器包括但不限于模式滤除器、包层光滤除器，本实施例中为包层光滤除器；另一个实施例中为模式滤除器；
其余同实施例1。
实施例3
本实施例与实施例2不同之处在于，还包括第二泵浦光滤除器，所述第二泵浦光滤除器设置在放大激光出射端口和所述反向信号/泵浦耦合器之间，用于滤除未被第二次吸收的剩余反射的泵浦光b。第二泵浦光滤除器包括但不限于模式滤除器、包层光滤除器，本实施例中为包层光滤除器；另一个实施例中为模式滤除器；
本实施例进一步地给出已经选型的高受激布里渊散射阈值高转换效率的光纤激光放大器，第一泵浦耦合器和第而泵浦耦合器为(6+1)×1泵浦耦合器，输出纤纤芯尺寸为30μm，内包层尺寸为400μm；增益光纤为大模场双包层掺镱光纤，长度为5m，纤芯尺寸为30μm，内包层尺寸为400μm；第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅刻写到无源光纤上，再熔接到增益光纤两端；泵浦光a的波长为976nm，泵浦光b的波长为974nm。另外的实施例中泵浦光a的波长分别为356nm、916nm、1018nm、1908nm或2098nm，匹配的泵浦光b的波长分别为354nm、914nm、1016nm、1906nm或2096nm。
图1所示，将波长为1064nm的单频激光器的输出纤与第一泵浦光滤除器输入纤熔接以将待放大激光注入光纤激光放大器，所用掺镱光纤长度为3m，吸收为0.8dB/m@915。将波长为976nm的泵浦光a通过正向泵浦光端口注入光纤激光放大器，将波长为974nm的泵浦光b通过反向泵浦光端口注入光纤激光放大器。第二光纤布拉格光栅对波长为976nm的泵浦光a高反，对波长为974nm的泵浦光b高透；第一光纤布拉格光栅对波长为974nm的泵浦光b高反，对波长为976nm的泵浦光a高透。976nm泵浦光a经过掺镱光纤后到达第二光纤布拉格光栅被反射回掺镱光纤继续吸收，剩余未被吸收的976nm泵浦光a经过第一泵浦耦合器后到达第一泵浦光滤除器并被其滤除；同理，974nm泵浦光b经过掺镱光纤后到达第一光纤布拉格光栅被反射回掺镱光纤继续吸收，剩余未被吸收的974nm泵浦光b经过第二泵浦耦合器后到达第二泵浦光滤除器并被其滤除。
还在待放大激光(信号光)端口增加一个2×2分束器，用于监测光纤激光放大器的反向回光，并在放大激光出射端口后面加一个功率计用于监测光纤激光放大器的输出功率。此时，开启泵浦源，并逐渐增加泵浦源的工作电流，可以观测到输出功率增加到90W时，反向回光开始出现非线性增长，即判定光纤激光放大器达到SBS阈值。此时注入的泵浦功率约为105W，光光效率约为85.7％。
对比常规双端泵浦光纤激光放大器，由于泵浦光只能在掺镱光纤中传输一次，为保证光光效率不低于80％，采用上述同种掺镱光纤的长度需达到5m。此时，逐渐增加泵浦源的工作电流，可以观测到输出功率增加到65W时，反向回光开始出现非线性增长，判定光纤激光放大器达到SBS阈值。此时注入的泵浦功率约为78W，光光效率约为83.3％。因此本实施例中的光纤激光放大器具有更高的SBS阈值和更高的转换效率。
该实施例表明，本发明具有体积小巧，成本低廉，可提升光纤激光放大器的SBS阈值，突破光纤激光器输出功率限制，优化激光器转换效率，减少废热，系统稳定可靠，可以获得高功率激光。

Claims (10)

1.一种高受激布里渊散射阈值高转换效率的光纤激光放大器，包括顺次在激光放大光路上的待放大激光端口、正向泵浦光端口、正向信号/泵浦耦合器、增益光纤、第二光纤布拉格光栅和放大激光出射端口，
所述正向泵浦光端口输入泵浦光a，
所述第二光纤布拉格光栅对泵浦光a高反，
待放大激光端口输入的待放大激光和泵浦光a通过所述正向信号/泵浦耦合器耦合进入增益光纤，泵浦光a被增益光纤吸收对待放大激光进行放大，一部分未被吸收的泵浦光a通过第二光纤布拉格光栅的反射再次进入增益光纤被增益光纤再次吸收，对待放大激光再进行放大，最后放大激光经过放大激光出射端口射出；
或者
包括顺次在激光放大光路上的待放大激光端口、第一光纤布拉格光栅、增益光纤、反向泵浦光端口、反向信号/泵浦耦合器和放大激光出射端口，
所述反向泵浦光端口输入泵浦光b，
所述第一光纤布拉格光栅对泵浦光b高反，
待放大激光端口输入的待放大激光进入第一光纤布拉格光栅再进入增益光纤，同时泵浦光b通过所述反向信号/泵浦耦合器耦合进入增益光纤，泵浦光b被增益光纤吸收对待放大激光进行放大，一部分未被吸收的泵浦光b通过第一光纤布拉格光栅的反射再次进入增益光纤被增益光纤再次吸收，对待放大激光进行放大，最后放大激光经过放大激光出射端口射出。
2.一种高受激布里渊散射阈值高转换效率的光纤激光放大器，包括顺次在激光放大光路上的待放大激光端口、正向泵浦光端口、正向信号/泵浦耦合器、第一光纤布拉格光栅、增益光纤、第二光纤布拉格光栅、反向泵浦光端口、反向信号/泵浦耦合器和放大激光出射端口；
所述正向泵浦光端口输入泵浦光a，所述反向泵浦光端口输入泵浦光b，所述泵浦光a和泵浦光b的波长相差不大于6nm；
所述第一光纤布拉格光栅对泵浦光a高透，对泵浦光b高反；所述第二光纤布拉格光栅对泵浦光b高透，对泵浦光a高反；
待放大激光端口输入的待放大激光和泵浦光a通过所述正向信号/泵浦耦合器耦合进入第一光纤布拉格光栅再进入增益光纤，泵浦光a被增益光纤吸收对待放大激光进行放大，一部分未被吸收的泵浦光a通过第二光纤布拉格光栅的反射再次进入增益光纤被增益光纤再次吸收，对待放大激光再进行放大，最后放大激光经过放大激光出射端口射出；
泵浦光b通过所述反向信号/泵浦耦合器耦合进入增益光纤，泵浦光b被增益光纤吸收对待放大激光进行放大，一部分未被吸收的泵浦光b通过第一光纤布拉格光栅的反射再次进入增益光纤被增益光纤再次吸收，对待放大激光进行放大，最后放大激光经过放大激光出射端口射出。
3.根据权利要求2所述的光纤激光放大器，其特征在于还包括第一泵浦光滤除器，所述第一泵浦光滤除器设置在待放大激光端口和所述正向信号/泵浦耦合器之间。
4.根据权利要求3所述的光纤激光放大器，其特征在于所述还包括第二泵浦光滤除器，所述第二泵浦光滤除器设置在放大激光出射端口和所述反向信号/泵浦耦合器之间。
5.根据权利要求4所述的光纤激光放大器，其特征在于所述泵浦光a和泵浦光b的波长相差2nm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的光纤激光放大器，其特征在于所述增益光纤在同一平面内盘绕排布呈光纤圆盘,也可盘绕成柱状或锥状。
7.根据权利要求6所述的光纤激光放大器，其特征在于所述增益光纤可以是但不限于是小芯径掺杂光纤、大芯径掺杂光纤、大模场掺杂光纤或者特殊结构掺杂光纤。
8.根据权利要求7所述的光纤激光放大器，其特征在于所述的光纤布拉格光栅可以是直接刻写在增益光纤上，也可以是刻写在无源光纤上再与增益光纤进行熔接。
9.根据权利要求8所述的光纤激光放大器，其特征在于所述第一泵浦光滤除器和第二泵浦光滤除器包括但不限于模式滤除器、包层光滤除器。
10.根据权利要求1-5或者7-9所述的光纤激光放大器，其特征在于所述正向泵浦光端口和反向泵浦光端口所输入泵浦光的泵浦方式可以但不限于是双端泵浦、单端泵浦含正向泵浦和反向泵浦、或者侧面泵浦。
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